Проекты

Купол церкви из композитных материалов

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Строительство, дизайн и архитектура» среди работ учащихся 7–9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1231
Предметы: Физика, Химия
Классы: 8 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Несмотря на наличие огромного количества различных форм куполов в православной традиции чаще всего используются купола именно луковичной формы, чаще всего позолоченные.

Купола имеют длинную архитектурную линию, которая имеет предысторию. Первые купола строились из глины, грязи, древесины и камня. В то время гвозди и многие другие связующие были недоступны, поэтому изготовление такого массивного сооружения занимало много времени и требовало стараний большого количества людей.

Позже на смену таким куполам пришли металлические и бетонные, они были более удобны в изготовлении, но купол всё ещё получался очень тяжёлым, его установка была нелёгким делом. В наши дни люди пытаются найти материал, совмещающий в себе лучшие свойства двух или более веществ.

На данный момент найдено отличное решение – композитный материал. Композитный материал – это искусственно созданный, то есть не встречающийся в природе, состоящий из двух или более компонентов (матрица и наполнитель) с чёткой границей раздела между ними. На выходе композитное изделие оказывается достаточно прочным, упругим, а главное – лёгким. Конечно, все эти качества зависят от метода изготовления и наполнителя, но в любом изделии из композитов они в той или иной мере сохраняются.

Цель

Изготовить лепестки сборного купола церкви луковичной формы из композитных материалов.

Задачи

  1. Разработать 3D-модель.
  2. Изготовить мастер-модель.
  3. Изготовить матрицы и изделие.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Компьютер с установленным ПО: Autodesk Inventor Professional 2020, Autodesk PowerMill Ultimate
  • Станок с ЧПУ Росфрезер ARF12STM
  • Орбитальная пневматическая шлифовальная машинка
  • Печь
  • Пневматический лобзик
  • Двухкомпонентная эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем ТЭТА в весовой пропорции 100:10, воск, гелькоут зелёного цвета, стеклоткань, состав Polywax, мелкая наждачная бумага (зернистостью 400), двухкомпонентная эпоксидная смола Elantas БП-2406, вакуумная плёнка, вакуумные и спиральные трубки, герметизирующий жгут, МДФ

Описание

Технологию изготовления купола можно разделить на четыре основных этапа, которые включают в себя множество вспомогательных операций.

1. Моделирование. Моделирование главной поверхности изделия, Моделирование полной формы и оснасток.

2. Изготовление мастер-модели. Резка заготовки и создание управляющей программы. Пропитка оснастки смолой, термообработка и чистовая обработка.

3. Изготовление матрицы. Нанесение воска на матрицу 3 раза, полировка. Нанесение гелькоута зелёного цвета и укладка 3 слоёв стеклоткани малой плотности, далее укладка 3 слоёв стеклоткани большей плотности. Снятие матрицы и её механическая обработка.

4. Изготовление изделия.  Нанесение заливного гелькоута. Шлифовка мелкой наждачной бумагой и раскрой материала. Нанесение разделительного состава. Формование изделия. Сборка вакуумного пакета. Подготовка связующего и пропитка детали. Разбор оснастки и механическая обработка изделия.

Макет купола готов. Купол состоит из гелькоута и двух типов стеклоткани (стеклоткань плотностью 160 г/м2 и триаксиальная), благодаря этому получается добиться требуемой долговечности и коррозионной стойкости изделия. Строение купола упрощает транспортировку, установку и ремонт конструкции. Также такой купол обладает большей долговечностью, чем аналоги, за счёт свойств композиционных материалов. Купол устойчив к коррозии, благодаря этому его нужно будет реже ремонтировать. Помимо этого, благодаря конструкции, состоящей из восьми лепестков, починка может быть не полной, а частичной и представлять из себя замену одного или нескольких лепестков, которые не составит труда изготовить на уже существующей матрице.

Результаты работы/выводы

В ходе работы были изготовлены лепестки  сборного купола церкви, превосходящего по качествам любые аналоги, изготовленные из других материалов. Благодаря материалу и сборной технологии он легче и удобнее привычных каменных, металлических и деревянных куполов.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем планируется изготовить недостающие детали и установить готовый купол на здание церкви в Москве.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н.Э. Баумана